太赫兹:信息时代待开发的处女地!5G毫米波助力开启超高清时代

滤波器 2021-10-17 16:06


转自:MEMS

一、 太赫兹:信息时代待开发的处女地!

编者按:2021年9月30月,《中国科学报》第三版以《太赫兹:信息时代待开发的处女地》为题,刊发了刘盛纲院士和胡旻教授的署名文章,全文如下:



1865年,当英国科学家麦克斯韦从理论上预言电磁波的存在时,或许没有想到,他为人类开辟了一个全新的时代——信息时代。1888年,赫兹首次在实验中看到了电磁波,1905年马可尼利用电磁波实现了越洋电报,从此人类便在利用电磁波的康庄大道上飞速前进。从收音机到电视机再到无线通信,从手机、微波炉到互联网再到雷达,电磁波无时无刻不在改变我们的生活。过去的150年间,人类不断地追求更快、更远、更大容量的信息传递目标,这一目标从未终止,也不会终止。人类开发利用电磁波的努力会一直持续下去。

电磁波是电场和磁场周期性变化相互耦合产生,其变化的快慢被称之为频率(单位赫兹,Hz)。按照频率的高低,可以将其排列在一个轴线上,类似于家谱,科学家称之为电磁波谱。生活中使用的所有电磁波都可以放在上面,而其实肉眼看到的可见光也是电磁波的一种,其频率为10¹⁵Hz,即1秒钟变化10¹⁵次的电磁波。



人类对于电磁波的认识和利用已经非常充分,而唯独电磁波谱中间的一个波段没有充分开发,就是太赫兹(THz)波段。其被誉为电磁波谱中尚未开发利用的处女地,处于电子学向光子学的过渡区域。太赫兹波段一般是指频率在0.1THz~10THz的电磁波,而1THz等于10¹²赫兹。



太赫兹波具有以下特性:载波频率高、带宽大,通信容量大;穿透性好、雷达成像分辨率高;光子能量低、安全性好,可无损检测;覆盖多数物质的特征谱,又被称为指纹谱。这让太赫兹在众多领域表现出重要应用价值,成为各国争相抢占的科学技术制高点。在美国,太赫兹技术被确认为改变未来世界的十大技术之一;在欧盟,已启动多个跨国太赫兹研究计划;日本则将太赫兹科学技术列为未来十年科技战略规划之首。

其实,太赫兹技术距离人们并不遥远,2019年科学家首次观测到了黑洞,也就是大家熟知的“甜甜圈”,就是利用太赫兹天文望远镜进行的观测。

太赫兹技术在未来战场侦察、隐身与反隐身、精确制导、电磁对抗等军事领域也将发挥重要作用。因为未来信息化战争的胜败取决于制信息权,而掌握制信息权的根本在于掌握制电磁频谱权,太赫兹是尚未应用的频谱资源,谁先掌握太赫兹频谱资源,谁就将占据未来军事制高点。

太赫兹也是未来地面无线通信的必然选择。以移动通信为例,从第二代的2G时代到现在的5G时代,通信速率从200kb发展到大于100Mb,已经使我们每个人感受到通信的快捷便利。未来发展到太赫兹移动通信时代,通信速率将超过100Gb,高出3个量级,我们可以想象,太赫兹移动通信技术将为我们的生活带来何等的变化?一方面,随着太赫兹技术的发展,电子设备的体系结构将发生革命性的变化,信息的交互将不依赖于电路板和线缆。另一方面,随着人类社会的飞速发展,对大容量高速信息的交互需求越来越旺盛,天基卫星互联网正在蓬勃发展。

太赫兹在高速率通信、电磁对抗与遥感等信息领域,及物理、化学、生物、医学等前沿基础领域中已显示出巨大的潜力。以太赫兹生物交叉领域为例,红外光谱只能检测出分子键的振动。太赫兹可以测量这些由碳、氢、氧、氮元素组成的大分子有机基团,如蛋白质大分子的基团振动和转动谱,从而以指纹谱的形式检测出有机物的分子基团构型等信息。2014年,英国科学家首先观察到了蛋白质的活体折叠,并证明了蛋白质可以在离体的情况下长时间存活,开启了研究太赫兹和生物体系相互作用的大门。




我国正式开展太赫兹研究始于第270次香山科学会议。笔者所在团队受国家委托,组织专家学者齐聚北京香山饭店,探讨我国太赫兹科学技术发展方向。最后,大家一致认为太赫兹既是“科学技术前沿”又是“国家重大需求”。而且,随着时间的推移,人类会更加充分地利用这段频谱。

如何突破太赫兹辐射、探测技术的瓶颈,是目前太赫兹领域发展亟待解决的核心问题。可以预见,太赫兹辐射和探测技术的突破,将给人类生活和社会发展带来重大变革。

太赫兹的发展从2000年至今也经历了几个阶段:认识太赫兹、太赫兹元器件发展、太赫兹演示系统研发和太赫兹产业化。目前太赫兹正处在从演示系统向产业化发展的关键时期。要在无线通信、医疗器械、生物医学系统、安全检测系统等四个方向推动太赫兹科技的产业化进程,须尽快建立从太赫兹基础研究、太赫兹元器件到太赫兹系统研究完整的创新链,同时,带动相关产业高质量发展。

今年9月,第46届国际红外毫米波—太赫兹会议在电子科技大学落幕。这一会议是该领域历史最悠久、规模最盛大的顶级学术会议,是第三次在中国举行,这也充分说明了太赫兹研究的“中国高度”受到了世界的广泛关注。

新一轮科技革命和产业变革突飞猛进。作为科技工作者,要“心怀国之大者”,加强原创性、引领性科技攻关,为国家实现高水平科技自立自强贡献智慧和力量,努力将中国建设成为太赫兹研究的全球高地。


作者刘盛纲系中国科学院院士、电子科技大学教授;胡旻系电子科技大学教授

《中国科学报》(2021-09-30 第3版 信息技术)





二、 5G毫米波助力开启超高清时代


从制播到分发再到消费,网络传输能力关乎超高清视频产业链的每一个环节。一方面,制播技术迭代和应用场景创新对带宽、时延等网络性能提出了更高要求;另一方面,智能手机引领的“全民制作”时代,让每一个人都成为超高清视频的制作者和消费者,对网络能力提出了新的考验。在这种趋势下,5G毫米波被视为开启超高清时代的“金钥匙”,将为超高清产业扫平网络技术障碍,带来颠覆式的消费体验。


发挥超高清最大潜能


视频流正在成为全社会的主要信息流。从2K到8K、从模拟到数字、从标清到超高清,持续迭代的视频技术需要更大的带宽、更强的算力、更低的存储成本来实现传输和加载。在制播层面,广电及流媒体的超高清直播,尤其需要超大带宽,以支持多线路、无线、实时的视频回传。在消费和传播层面,虽然旗舰手机已经能拍摄4K甚至8K视频,但画质往往受限于网络条件而被压缩,需要足够的带宽来保障观看质量。


要充分发挥超高清视频潜能,需要频段更高、带宽更大的网络。


“如果不用毫米波的频段,就不可能达到5G的峰值速率,也不可能满足数据流量的需求,这是毫米波最大的优势。”高通公司中国区研发负责人徐晧表示,“毫米波的大速率,将催生一系列场景,比如4K的多频多视角传输分享、高密度人群场馆的网络连接——像是足球赛多个镜头同时转播的需求,以及工业应用、企业级应用、多人在线游戏等场景。”



2021年美国橄榄球赛季总决赛“超级碗”是首个使用5G毫米波上行链路传输的重要赛事。在举办地雷蒙德·詹姆斯体育场,高通和Verizon利用5G毫米波,打造世界上网速最快的体育场馆。据悉,场馆内5G毫米波峰值下载速度超过2Gbps,某些场景下甚至高达3Gbps,约为4G LTE峰值下载速度的20倍。


具体来看,毫米波让超高清视频的制播、消费、传播有了更高的自由度。


在制播方面,5G毫米波可以让拍摄设备摆脱束缚,却依旧拥有超高传输带宽,以及超低时延和高可靠性。


在消费方面,毫米波将转播车放到了用户的手机中,支持观众同时观看多路串流高清直播,还可以通过APP观看比赛回放。


在传播方面,5G毫米波支持人流密集场所的超高清视频流传输。得益于毫米波传播损耗的降低以及窄射频波束的应用,5G毫米波支持最密集的网络部署。在2021年“超级碗”,球迷可基于毫米波上传照片和视频分享比赛精彩瞬间。尽管入场观众人数被限制在场馆总容量的的三分之一,但今年比赛期间下载流量相比去年增长超过60%,突显了5G毫米波在推动大型赛事和活动中的媒体直播,以及有效应对公共网络场景的重要作用。


助力VR/AR无界无束


在超高清产业走向成熟的同时,下一代信息技术引领的视频流也在加速产业化的步伐。高沉浸、强交互的XR(VR、AR、MR),将带来更大的视场角、更加立体的图像,被誉为“5G时代最重要的一张屏”。


但是,VR/AR的产业化道路并非一帆风顺。目前,视觉体验最好的VR头盔多为PC级VR,通过线缆与主机连接,借助主机的处理器和网络实现渲染和传输;而佩戴体验最好的VR头盔多为独立头盔,没有线缆束缚,但画面解析能力和稳定性不足。



5G尤其是5G毫米波,让“视觉体验”与“佩戴舒适”可以兼得,实现“无界XR”。据高通公司总裁兼CEO安蒙此前介绍,“无界XR”是通过“分离式渲染”技术进行分布处理,即通过支持超高速度和低时延的5G连接,利用高性能的边缘云渲染来增强终端侧的渲染能力。基于这些技术,用户将能够在纤薄的轻量型设备上体验到支持逼真视效的无界XR体验。


“除了速度快,毫米波的另一个优点是时延低,是Sub-6GHz的四分之一,所以能够在非常短的时间内进行传输和回传。这对虚拟现实、工业自动控制等对时延提出更高要求的场景非常有效。”徐晧说。


高通正在为“无界XR”的实现打造系统级平台。其骁龙XR2 5G平台是全球首个结合5G和AI的XR平台,支持七路并行摄像头、8K 360度全景视频、语音UI和3D立体声。通过骁龙XR2 5G参考设计,高通公司正在助力OEM厂商加快下一代XR头显的开发和商用进程,为虚拟现实带来更多可能。



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